Một số tính chất khác của nước biển

a) chuyển động dao động, b) chuyển động sóng, c) chuyển động khố

2.6. Một số tính chất khác của nước biển

Độ nén. Độ nén của nước biển tương đối nhỏ: thể tích riêng dưới áp suất 1000 ba chỉ nhỏ hơn 4 % thể tích riêng của chính nước đó tại áp suất khí quyển. Tuy nhiên độ nén có ý nghĩa quan trọng đối với các quá trình vật lý thủy văn diễn ra ở những độ sâu lớn của đại dương.

Tỉ số giữa biến đổi tương đối của thể tích riêng và biến đổi áp suất gây nên sự biến đổi đó gọi là hệ số nén “thực” của nước biển k, được xác định theo công thức (2.17), tức hệ số k phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối và áp suất. Từ công thức này thấy rằng khi áp suất tăng thì thể tích riêng giảm. Tuy nhiên trong thực tế thường sử dụng một hệ số gọi là hệ số nén trung bình , được xác định cho lớp nước từ mặt tới độ sâu ứng với áp suất P tính bằng dba. Các hệ số k và  liên hệ với nhau bằng mối liên hệ hàm. Để khẳng định điều này, ta viết mối phụ thuộc sau:

)

( P

v

vpts  0ts 1 , (2.23) trong đó vpts và v0ts  tuần tự là thể tích riêng tại độ sâu ứng với P và tại mặt nước. Lấy vi phân mối phụ thuộc này theo P và thế vào biểu thức của hệ số k, ta có ) ( P P P k   1          . (2.24) Từ đây suy ra rằng tại mặt biển (P0) các hệ số và k  như nhau. Tuy nhiên, khi độ sâu tăng những khác biệt giữa chúng tăng lên. Ta xét mức độ của những khác biệt đó thông qua thí dụ sau. Ta tưởng tượng một cột nước thẳng đứng với độ cao 3800m gần với độ sâu trung bình của Đại dương Thế giới, có thiết diện bằng 1 m2, độ muối 35 %o và nhiệt độ 5 oC. Ta sẽ tính xem cột nước này sẽ giảm bao nhiêu do tác dụng của độ nén. Ta lấy hệ số nén trung bình bằng 9 10 4254  dba-1.  z   

Tại áp suất 3800 dba độ cao của 1 m3 sẽ giảm đi 1,6 cm (trong khi giữ nguyên thiết diện ngang) tuân theo công thức (2.23). Một cách gần đúng, có

thể cho rằng lượng biến đổi này giảm tuyến tính về phía mặt nước. Trong trường hợp đó ta có lượng giảm trung bình của độ cao của 1 m3 trong cột bằng 0,8 cm, và nếu tính cho toàn độ cao cột 3800 m sẽ cho lượng giảm tổng cộng bằng 30,4 m. Như vậy nếu như hoàn toàn không có độ nén nước thì mực trung bình của Đại dương Thế giới có thể cao hơn hiện tại 30,4 m.

Sức căng bề mặt. Sức căng bề mặt của nước xuất hiện tại biên tiếp xúc với không khí. Nó do các lực hút giữa các phân tử gây nên. Bên trong nước các lực hút giữa các phân tử bù trừ lẫn nhau. Còn đối với những phân tử nằm gần mặt có một lực tổng cộng không bù trừ hướng từ mặt vào bên trong. Sức căng bề mặt có xu thế làm giảm mặt chất lỏng tới cực tiểu.

Lực của sức căng bề mặt F tác dụng tại mặt tự do hướng theo đường tiếp tuyến với bề mặt và vuông góc với ranh giới mặt tự do. Độ lớn của nó được xác định bằng công thức

l a F  ,

trong đó l độ dài của đường bao biên, a hệ số sức căng bề mặt, tính bằng N/m2. Hệ số sức căng bề mặt phụ thuộc không chỉ vào cấu tạo bên trong của nước, mà còn vào bản chất và trạng thái của môi trường mà nó tiếp xúc. Hệ số sức căng bề mặt của nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối, trong đó ảnh hưởng của nhiệt độ trội hơn. Để ước lượng nhân tố nhiệt lên đại lượng a có thể sử dụng mối phụ thuộc thực nghiệm

310 10 15 0 64 75   ( , , T) a .

Độ nhớt (ma sát trong). Cũng giống như độ dẫn nhiệt, độ nhớt của nước biển được xét riêng biệt đối với các chuyển động phân lớp và chuyển động rối. Trong trường hợp chuyển động phân lớp độ nhớt được đặc trưng bằng hệ số nhớt phân tử, còn trong trường hợp chuyển động rối độ nhớt được đặc trưng bằng hệ số nhớt rối (cuộn xoáy).

Độ nhớt của chất lỏng là lực cần thiết để chống lại sự làm mất liên kết của các phân tử liên kết tạm thời với nhau. Độ nhớt có thể xem như một tính chất của chất lỏng chống lại các lực làm tách giãn và làm xê dịch các hạt. Tuy nhiên sự chống cự này chỉ biểu lộ khi có những tốc độ chuyển động

khác nhau giữa lớp nước này so với lớp nước khác, tức khi xuất hiện các tốc độ góc dịch chuyển các hạt.

Từ phía lớp chuyển động nhanh hơn sẽ có một lực tác động làm tăng tốc cho lớp chuyển động chậm hơn. Trong trường hợp ngược lại sẽ có một lực kìm hãm, cản trở. Những lực này, được gọi là các lực ma sát trong, hướng theo đường tiếp tuyến với bề mặt của các lớp.

Theo định luật Newton, các lực ma sát trong tỉ lệ với građien tốc độ trên hướng pháp tuyến với diện tích mà các lực đó tác động. Nếu quy lực ma sát trong về một diện tích bằng đơn vị, ta có ứng suất tiếp tuyến trong chất lỏng được xác định theo công thức

n V     , (2.25) trong đó  hệ số nhớt động lực học, hay gọi đơn giản là độ nhớtđộng lực học. Độ nhớt động lực học xác định một lực ma sát trên một đơn vị bề mặt khi građien tốc độ bằng đơn vị và được biểu thị bằng Pas. Vì vậy, đôi khi người ta gọi nó là hệ số ma sát trong. Nếu đem chia giá trị của  cho mật độ của chất lỏng, thì ta có hệ số nhớt động học, tức

 

  (m2/s).

Độ nhớt của nước biển hầu như không phụ thuộc vào áp suất, nhưng tăng lên khi độ muối tăng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng, hơn nữa sự giảm theo nhiệt độ diễn ra theo qui luật phi tuyến.

Khi xem xét phần lớn những quá trình diễn ra trong đại dương, người ta thường bỏ qua độ nhớt phân tử, vì nó thường nhỏ hơn độ nhớt rối một số bậc. Chỉ trong một số trường hợp, thí dụ khi nghiên cứu các quá trình thủy sinh học, vai trò của nhớt phân tử có thể biểu lộ một cách đáng kể.

Khuếch tán. Khi tiếp xúc hai dung dịch với nồng độ khác nhau, các phần tử chất hòa tan bắt đầu di chuyển từ dung dịch có nồng độ lớn hơn sang dung dịch có nồng độ nhỏ hơn. Sự di chuyển sẽ tiếp diễn chừng nào nồng độ của các dung dịch chưa bằng nhau.

Sự di chuyển các phần tử từ lớp này sang lớp kia được thực hiện không

thông qua sự xáo trộn cơ học gọi là khuếch tán phân tử và có thể được thể hiện dưới dạng

z d dS

M  , (2.26) trong đó M  khối lượng (g) của các phần tử hòa tan đi qua diện tích 1 cm2

trong hướng vuông góc với građien nồng độ dung dịch

z d dS

trong một đơn vị thời gian,  hệ số khuếch tán phân tử, tính bằng cm2/s nếu tính bằng g/cm3, hay tính bằng g/(cm.s) nếu S tính bằng g/g. Thông thường nồng độ

S có thể là độ muối, khi đó công thức (2.26) xác định sự khuếch tán các muối.

S

Khuếch tán phân tử cũng không có vai trò đáng kể trong sự hình thành chế độ thủy văn, vì hệ số khuếch tán chỉ bằng gần 2 10 cm /s và nhỏ hơn nhiều lần hệ số khuếch tán rối. Chính là khuếch tán rối quyết định rất nhiều sự vận chuyển các muối và khí trên hướng ngang và đặc biệt hướng thẳng đứng trong biển.

25 5

 

Áp suất thẩm thấu được gây nên bởi độ muối của nước biển và không tồn tại trong nước cất. Hiện tượng thẩm thấu được quan sát thấy trong trường hợp dung dịch được ngăn cách với chất hòa tan bằng một màng ngăn bán thấm, màng này cho các phân tử chất hòa tan đi qua, nhưng không cho các phân tử chất tan đi qua. Trong trường hợp đó các phân tử chất hòa tan hướng tới làm san bằng nồng độ, bắt đầu di chuyển sang dung dịch, làm cho độ cao của dung dịch tăng lên đến một độ cao cân bằng nào đó. Hệ quả là tạo ra một áp suất lên màng ngăn gọi là áp suất thẩm thấu, áp suất này phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh cân bằng với nó. Áp suất thẩm thấu tăng lên 1/273 phần khi nhiệt độ tăng lên 1 oC.

Áp suất thẩm thấu tăng lên đặc biệt mạnh khi tăng độ muối. Thí dụ, tại độ muối S4%o áp suất thẩm thấu Pos2,28, tại S20%o 1392, tại mm cột thủy ngân, hay 0,34 dba. Hiện tượng thẩm thấu đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học.

os  ,

P

o

% Pos S36 25,3

Độ dẫn điện. Nước biển là một dung dịch hầu như điện phân hoàn toàn của các muối và do đó nó là một chất dẫn điện khá tốt. Độ dẫn điện của nước biển tăng khi tăng nhiệt độ và độ muối (hình 2.6). Như ta thấy từ hình 2.6, khi tăng độ muối từ 6 lên 40 %o và nhiệt độ từ 0 lên 24 oC, độ dẫn điện tăng lên hơn 10 lần. Vì độ dẫn điện trong đại dương được đo rất chính xác, nên điều này được sử dụng để xác định độ muối của nước biển.

Hình 2.6. Phụ thuộc của độ dẫn điện vào nhiệt độ và độ muối

Các dòng điện tellua được tạo ra bởi những quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong vỏ trái đất, thủy quyển và khí quyển. Nguyên nhân chính hình thành các dòng tellua là sự biến thiên cường độ bức xạ mặt trời tạo nên trường điện biến thiên trong Trái Đất và khí quyển. Ngoài ra, các dòng tellua được gây nên do sự vận chuyển các điện tích bởi giáng thủy và các dòng không khí, các quá trình điện lọc và điện hóa trong đá của vỏ trái đất và các hiện tượng nhiệt điện. Đặc điểm đặc trưng của các dòng tellua là độ biến động cao của chúng trong không gian và thời gian.

Các dòng điện cảm ứng được tạo ra do chuyển động của nước biển - là

một dây dẫn điện di chuyển trong từ trường của Trái đất. Theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong dây dẫn tỉ lệ với cường độ của từ trường và tốc độ chuyển động của dây dẫn. Sức điện động E (tính bằng Vôn) có thể được xác định theo công thức sau:

z V L E108 ,

trong đó L khoảng cách (cm) giữa các điện cực nằm trên mặt phẳng vuông góc với vectơ dòng chảy, V  tốc độ dòng chảy (cm/s), z thành phần thẳng đứng của từ trường Trái đất. Một khi đo được E, dễ dàng tính được tốc độ dòng chảy tại mực phân bố của các điện cực.

Độ phóng xạ. Độ phóng xạ tự nhiên của nước biển được xác định chủ yếu bởi sự hiện diện trong nước biển những đồng vị phóng xạ của Canxi (40K). Theo một số đánh giá, trong nước Đại dương Thế giới chứa 6,31010

tấn 40K, gây nên giá trị riêng của độ phóng xạ Ki/l. Phần đóng góp vào độ phóng xạ tự nhiên từ những chất đồng vị phóng xạ khác như

37Rb, 286Ra không lớn và bằng 1 % của đồng vị 40K. Chính là giá trị Ki/l được chấp nhận làm độ phóng xạ tự nhiên. Độ phóng xạ của nước biển phân bố tương đối đều trên toàn Đại dương Thế giới, điều này cho phép giả thiết về bản chất khí quyển của sự ô nhiễm nước đại dương. Để minh chứng về điều này còn có sự phân bố theo phương thẳng đứng của độ phóng xạ, trong đó những trị số cực đại của độ phóng xạ được nhận thấy ở lớp tựa đồng nhất phía trên của đại dương.

1010 10 0 3,   10 10 0 3,   2.7. Nhiệt độđóng băng và nhiệt độ mật độ cực đại

Sự bổ sung muối vào nước tinh khiết làm giảm mạnh điểm đóng băng

của dung dịch muối. Sự phụ thuộc của điểm đóng băng vào độ muối đã được Helland-Hansen xác lập từ nhiều thập niên trước và được biểu diễn bằng công thức sau: 3 2 0000004 0 00004 0 0527 0 003 0 S S S t  ,  ,  ,  , . (2.27)

Từ công thức này suy ra rằng với độ muối đặc trưng của các vùng cực nước mặt đóng băng tại nhiệt độ -1,7 oC. Về sau người ta đã nhận ra rằng nhiệt độ đóng băng còn phụ thuộc vào áp suất, vì vậy Millero và Luwing đã đề xuất một mối phụ thuộc chính xác hơn:

o S32%      3 3 2 10 710523 1 0575 0, S , S / t P S2 4 4 753 10 10 154996 2       , , . (2.28)

Công thức này đúng trong dải 4S40%o và 0P500 dba.

Như vậy, khi áp suất tăng điểm đóng băng của nước biển sẽ giảm hơn nữa.

Nhiệt độ mật độ cực đại của nước tinh khiết tại áp suất khí quyển bằng 3,982 oC. Nhiệt độ của nước biển giảm khi độ muối và áp suất tăng, ngoài ra nhân tố độ muối đóng góp phần chính vào biến đổi của . Nếu không tính tới áp suất, nhiệt độ có thể xác định theo công thức thực nghiệm của Knudsen và Crummel

m t m t m t m t 3 2 00002 0 0001 0 2 0 95 3 S S S tm  ,  ,  ,  , , (2.29) còn nếu tính tới áp suất thì xác định theo công thức chính xác hơn của Koldwell:    S tm 3,982 0,2229 ) , ( ) , ( ,02004P 1 000376S 1 0000402P 0    , (2.30)

trong đó P áp suất, tính bằng ba.

Trên hình 2.7 dẫn các đường cong và phụ thuộc vào độ muối. Những đường cong này giao nhau tại điểm với các đặc trưng

và . Khi độ muối thấp hơn 24,695 %o nhiệt độ cao hơn và nước như vậy có tính chất giống với nước ngọt. Khi độ muối cao hơn 24,695 %o tương quan giữa hai nhiệt độ ngược lại. Theo đề xuất của N. M. Knhipovich hai loại nước này tuần tự gọi là nước lợ và nước biển.

t tm t tm C 332 1 o T , m t t o S24,695%

Sự khác nhau về tương quan giữa nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ mật

độ cực đại kéo theo sự khác nhau về diễn biến của một số hiện tượng trong các thủy vực biển và thủy vực nước lợ. Đặc biệt điều này biểu lộ rất rõ trong quá trình đối lưu tự do, tức quá trình chìm các khối nước xuống dưới do chúng bị đậm đặc trong thời kỳ nguội lạnh thu đông. Nếu nước lớp mặt thuộc loại nước lợ, thì sau khi bị lạnh tới nhiệt độ mật độ lớn nhất, sự giảm nhiệt độ tiếp theo sẽ làm giảm mật độ, sự xáo trộn đối lưu tự do thẳng đứng sẽ kết thúc và tạo nên những điều kiện để đóng băng lớp nước mặt. Nếu độ muối thì khi nước biển bị nguội lạnh do trao đổi nhiệt với khí quyển, sự xáo trộn thẳng đứng không kết thúc và luôn duy trì các dòng nước sâu ấm đi lên phía mặt, cản trở quá trình tạo băng trên mặt biển.

o S24,7% Hình 2.7. Phụ thuộc của nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ mật độ lớn nhất vào độ muối  t m t